劉振偉，孫中圣

(南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南京 210094)

0 引言

根據(jù)管道內(nèi)的壓力狀態(tài)，氣力輸送的一般形式可分為正壓輸送與真空輸送兩種。與正壓輸送相比，真空輸送由于管道內(nèi)為負(fù)壓且空氣在完成物料輸送之后才經(jīng)由氣源機(jī)械排入大氣，降低了物料外逸、機(jī)油等雜質(zhì)混入物料的概率，對(duì)輸送有毒、清潔度要求高的物料有著顯著的優(yōu)越性[1]。但是真空輸送也存在著能耗高的問題，相同工況下，正壓輸送的能耗僅為真空輸送的51%。

目前，國內(nèi)大多數(shù)企業(yè)在真空輸送系統(tǒng)中所采取的節(jié)能措施對(duì)于氣源機(jī)械選擇方面的認(rèn)識(shí)和重視度不足[2]。傳統(tǒng)的真空物料輸送系統(tǒng)中，大多采用真空泵作為氣源機(jī)械，而SMC公司生產(chǎn)的ZH系列真空發(fā)生器應(yīng)用了康達(dá)效應(yīng)，使吸入流量與真空度大大提升，滿足物料輸送工作需求，也可應(yīng)用于真空物料輸送系統(tǒng)。由于缺少真空泵和康達(dá)效應(yīng)式真空發(fā)生器的對(duì)比研究，導(dǎo)致企業(yè)在兩種系統(tǒng)的選用問題上沒有明確的指標(biāo)。

因此，本文分別基于真空泵和康達(dá)效應(yīng)式真空發(fā)生器搭建了物料輸送能耗實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，并進(jìn)行了不同工況下的能耗實(shí)驗(yàn)，分析了兩種系統(tǒng)的能耗變化趨勢(shì)及其原因，最終推導(dǎo)出兩種系統(tǒng)基于能耗的選用判據(jù)。

1 真空物料輸送系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

為了進(jìn)行不同工況下真空泵和康達(dá)效應(yīng)式真空發(fā)生器的能耗對(duì)比實(shí)驗(yàn)，自制了如圖1所示的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了物料輸送的自動(dòng)化運(yùn)行以及系統(tǒng)工作參數(shù)的采集記錄。兩種系統(tǒng)的供料裝置、分離過濾裝置以及輸料管道均采用了相同的結(jié)構(gòu)[3]。其中，輸料管道采用PVC透明鋼絲軟管，可直接觀測到物料流動(dòng)狀態(tài)，管道總長L=3m，內(nèi)徑D=32mm，采用水平轉(zhuǎn)豎直向上布置，水平段長度l=0.5m，豎直段長度h=2.5m。

在實(shí)驗(yàn)過程中，通過減壓閥與變頻器分別調(diào)節(jié)真空發(fā)生器供氣壓力和真空泵供電頻率，以模擬不同的工況。選用ZH20-X185型康達(dá)效應(yīng)式真空發(fā)生器，供氣壓力由0.2MPa逐步調(diào)節(jié)至0.4MPa，對(duì)應(yīng)耗氣量由500L/min逐步調(diào)節(jié)至800L/min，間隔10L/min。選用DPD040型渦旋真空泵，供電頻率由20Hz逐步調(diào)整至50Hz，間隔1Hz。

根據(jù)物料的中粒徑和松散堆積密度，可將物料分為PC1、PC2和PC3三類，不同類物料輸送時(shí)的流動(dòng)狀態(tài)也不同[4]。PC1組中的物料(飛灰、水泥、石粉等)可以流暢而平穩(wěn)地從稀相到流態(tài)化密相輸送；PC2組中的物料(塑料顆粒、大麥等)在管道內(nèi)的流動(dòng)狀態(tài)為稀相或不穩(wěn)定區(qū)；PC3組中的物料(破碎煤片、鋯砂等)能夠以稀相輸送。為了模擬不同工況下的物料輸送，保證數(shù)據(jù)具有一定的代表性，從三類物料中各選一種進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)物料特性

2 實(shí)驗(yàn)研究與結(jié)果分析

以往的研究表明，影響真空物料輸送系統(tǒng)能耗的因素眾多，包括輸料管道材料、輸送距離、管道布置等。而在本文中，主要目的在于探究真空泵和康達(dá)效應(yīng)式真空發(fā)生器在不同工況下的能耗對(duì)比，以提出基于能耗的選用判據(jù)，為企業(yè)提供選型指導(dǎo)。因此在對(duì)比實(shí)驗(yàn)中，僅考慮真空泵和康達(dá)效應(yīng)式真空發(fā)生器本身特性對(duì)于能耗的影響，其余影響因素則作為定量進(jìn)行研究。

2.1 輸送能力研究

研究兩種真空系統(tǒng)的能耗時(shí)，只有在抽氣能力相當(dāng)?shù)那闆r下才是合理的。對(duì)于真空物料輸送系統(tǒng)而言，抽氣性能直接影響著系統(tǒng)的輸送能力。圖2為兩種系統(tǒng)在不同真空泵供電頻率或真空發(fā)生器供氣壓力下的輸送能力對(duì)比，由該圖可確定兩種系統(tǒng)輸送能力相當(dāng)時(shí)的工況，即兩種系統(tǒng)抽氣性能相當(dāng)時(shí)的工況。

圖2 兩種系統(tǒng)輸送能力對(duì)比

對(duì)于同種物料，分別基于真空泵系統(tǒng)和真空發(fā)生器系統(tǒng)進(jìn)行輸送時(shí)的輸送能力有著一定差距。這與真空泵和康達(dá)效應(yīng)式真空發(fā)生器的流量特性差異有關(guān)，如表2所示。在相同的吸入流量下，真空泵所能達(dá)到的真空度更高；而真空發(fā)生器與真空泵相比，在較低的真空度下，可提供較高的空氣流量。當(dāng)物料在管道內(nèi)以稀相懸浮流輸送時(shí)，主要是依靠空氣的動(dòng)壓進(jìn)行輸送，因此空氣流量較高的真空發(fā)生器系統(tǒng)更有利于聚丙烯顆粒和蛭石粉末的輸送；而當(dāng)物料以栓流輸送時(shí)，則主要依靠空氣的靜壓進(jìn)行輸送，因此真空度更高的真空泵系統(tǒng)更有利于石英砂的輸送。

表2 流量特性對(duì)比

2.2 系統(tǒng)能耗研究

通常，以耗電量評(píng)價(jià)真空泵的能耗，以耗氣量評(píng)價(jià)真空發(fā)生器的能耗，兩者無法直接比較，因此需要引入氣動(dòng)功率將真空發(fā)生器的耗氣量進(jìn)行換算。根據(jù)定義，真空發(fā)生器的氣動(dòng)功率可由式(1)進(jìn)行計(jì)算[5]。

(1)

式中：P為氣動(dòng)功率；pa為大氣壓力；Qa為壓縮空氣在大氣狀態(tài)下的體積流量；p為壓縮空氣的壓力。

在實(shí)驗(yàn)過程中，根據(jù)圖2來調(diào)整兩種系統(tǒng)的供電頻率和供氣壓力使其在相近的輸送能力下工作，并采集真空泵實(shí)時(shí)功率、真空發(fā)生器供氣壓力和耗氣量等參數(shù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后得到圖3所示的能耗對(duì)比結(jié)果。

圖3 兩種系統(tǒng)的能耗對(duì)比

結(jié)合圖3中兩種系統(tǒng)的能耗對(duì)比以及三組物料在管道內(nèi)的流動(dòng)狀態(tài)分析，可知：

1)對(duì)于蛭石粉末和聚丙烯顆粒，真空發(fā)生器系統(tǒng)的能耗遠(yuǎn)低于真空泵系統(tǒng)。其原因在于：這兩組物料在管道內(nèi)的輸送形式均為懸浮流輸送，輸送單位質(zhì)量物料消耗的風(fēng)量較大，而真空發(fā)生器與真空泵相比，在相同功率下，能提供的風(fēng)量更大，因此更有利于此類物料的輸送。

2)對(duì)于石英砂，當(dāng)輸送能力較高(>86g/s)時(shí)，真空泵系統(tǒng)能耗更低；反之，真空發(fā)生器系統(tǒng)能耗更低。其原因在于：石英砂松散堆積密度大，在輸送過程中，為了克服本身的重力，對(duì)于系統(tǒng)的真空度要求更高，而真空泵系統(tǒng)相較于真空發(fā)生器系統(tǒng)而言，在相同功率下，真空度更高，完成輸送時(shí)間更短。與真空泵系統(tǒng)不同的是，當(dāng)輸送能力較低時(shí)，由于真空發(fā)生器系統(tǒng)所能提供的空氣流量較大，物料在管道中將由沙丘狀栓流輸送逐漸轉(zhuǎn)化為稀相懸浮流輸送，而不會(huì)產(chǎn)生物料懸浮在管道中導(dǎo)致輸送時(shí)長大幅增加的現(xiàn)象，能耗也不會(huì)大幅增加。

2.3 能耗判據(jù)分析

為了解決目前企業(yè)在兩種系統(tǒng)的選用上沒有明確指標(biāo)這一問題，在上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上，基于兩種系統(tǒng)的功率特性推導(dǎo)了兩種系統(tǒng)選用的能耗判據(jù)。

圖4為兩種系統(tǒng)在同一工況下(輸送聚丙烯顆粒，輸送能力55g/s)工作的實(shí)時(shí)功率變化對(duì)比。在物料輸送過程中，真空泵的實(shí)時(shí)功率將隨著負(fù)載的變化而變化，由于真空泵啟動(dòng)方式為變頻啟動(dòng)，因此達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)所需時(shí)間較長；而真空發(fā)生器的供氣壓力和耗氣量并不受負(fù)載變化的影響，因此真空發(fā)生器的實(shí)時(shí)功率保持不變。

圖4 兩種系統(tǒng)功率特性對(duì)比

由圖4可以看出，真空泵功率在經(jīng)歷一段時(shí)間Δt后趨于穩(wěn)定，記Δt時(shí)間內(nèi)真空泵的平均功率為動(dòng)態(tài)平均功率Pd，記真空泵穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)的功率為穩(wěn)定功率Pe，則真空泵系統(tǒng)單次輸送能耗E1的計(jì)算公式為

E1=[PdΔt+Pe(t-Δt)]/3 600

(2)

式中t為單次輸送所需的時(shí)間。而真空發(fā)生器的功率始終保持不變?yōu)镻c，則真空發(fā)生器系統(tǒng)單次輸送能耗E2的計(jì)算公式為

E2=Pct/3 600

(3)

令E1=E2，便可得到兩種系統(tǒng)能耗相同時(shí)的輸送時(shí)長t*的計(jì)算公式。

t*=(Pe-Pd)Δt/(Pe-Pc)

(4)

當(dāng)系統(tǒng)輸送總質(zhì)量為m的物料時(shí)，兩種系統(tǒng)能耗相同時(shí)的輸送能力G*便可通過下式進(jìn)行計(jì)算。

G*=m/t*

(5)

當(dāng)系統(tǒng)實(shí)際輸送能力G>G*時(shí)，采用真空泵系統(tǒng)更加節(jié)能；反之，當(dāng)系統(tǒng)實(shí)際輸送能力G

根據(jù)式(5)可做出抽氣能力相當(dāng)時(shí)兩種系統(tǒng)選用的判據(jù)圖，圖5給出了針對(duì)本次實(shí)驗(yàn)物料的兩種系統(tǒng)選用的判據(jù)圖。圖中的G*曲線將平面分為兩部分，當(dāng)系統(tǒng)實(shí)際輸送能力G在圖中處于曲線上方時(shí)，即G>G*時(shí)，使用真空泵系統(tǒng)能耗更低；當(dāng)系統(tǒng)實(shí)際輸送能力G在圖中處于曲線下方時(shí)，即G

圖5 兩種系統(tǒng)選用的能耗判據(jù)圖

3 結(jié)語

本文分別基于真空泵和康達(dá)效應(yīng)式真空發(fā)生器搭建了物料輸送系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，以聚丙烯顆粒、石英砂、蛭石粉末作為實(shí)驗(yàn)物料，進(jìn)行了不同工況下的能耗實(shí)驗(yàn)，得到了兩種系統(tǒng)輸送能力相當(dāng)時(shí)的能耗對(duì)比情況，并分析了兩種系統(tǒng)能耗變化的原因。

最終，基于兩種系統(tǒng)輸送物料時(shí)的功率特性推導(dǎo)出了兩種系統(tǒng)選用的能耗判據(jù)公式：當(dāng)系統(tǒng)實(shí)際輸送能力G>G*時(shí)，采用真空泵系統(tǒng)更加節(jié)能；當(dāng)系統(tǒng)實(shí)際輸送能力G